Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

105.1 Das Zustandsdiagramm von Wasser Die Dampfdruckkurve endet im kritischen Punkt. Über dem kritischen Punkt kann die Flüssigkeit vom Gas nicht unterschieden werden. Der Tripelpunkt ist eine Fundamentalkonstante für Wasser. Es existieren hier alle 3 Phasen gleich- zeitig. (Beachte die Skala der Ordinatenachse! Vergleiche mit der Dampfdruckkurve in 102.2 und erkläre die unterschiedliche Kurvenform!) schwebender Wassertropfen Dampfschicht Temperatur >220 °C 105.2 Wassertropfen können minutenlang auf heißen Herdplatten tanzen. Ein Dampfpo- lster trägt und schützt sie. Luft Gas 1. Wärmetauscher 2. Wärmetauscher Abgase Abgasventilator Abgase Heizungsvorlauf Heizungsrücklauf Heizkörper Kondensatablauf 105.3 Prinzip der Brennwerttherme.  Das Zustandsdiagramm eines Stoffes Einen Überblick über die Phasenübergänge eines Stoffes erhält man, wenn man in einem Druck-Temperatur-Diagramm den Schmelz-, den Dampf- und den Sublima- tionsdruck als Funktion der Temperatur einzeichnet. Wir betrachten dazu das Zu- standsdiagramm von Wasser ( 105.1 ). Die drei Druck-Temperatur-Kurven tren- nen Gebiete voneinander, in denen nur der feste oder nur der flüssige oder nur der gasförmige Aggregatzustand existiert. Jeder Punkt auf einer der Kurven bedeutet, dass jeweils zwei Zustände – z. B. fest und flüssig – gleichzeitig vorkommen. Es sind Punkte, in denen Phasenübergänge stattfinden. Alle drei Kurven laufen in einem Punkt zusammen. Dieser Punkt heißt Tripel- punkt . Er gibt an, bei welchem Druck und bei welcher Temperatur alle Phasen des jeweiligen Stoffs gleichzeitig vorkommen. Während Schmelz- und Siedetemperaturen eines Stoffes und daher auch alle dar- auf aufbauenden Temperaturskalen vom Luftdruck abhängen, ist der Tripelpunkt vom Luftdruck unabhängig: Er ist daher für die Definition einer Temperaturskala besonders geeignet. Für die Kelvinskala wird der Tripelpunkt von reinem Wasser bei T = 273,16K und p = 612Pa als Fixpunkt benützt .  Tanzende Wassertropfen Man könnte annehmen, dass eine Flüssigkeit umso schneller verdampft, je hei- ßer die Heizfläche ist. Eine einfache Beobachtung zeigt, dass dies nicht immer zutrifft. Spritzt man Wasser auf eine heiße Herdplatte, so sieht man, wie einzel- ne Wassertropfen minutenlang über die Herdplatte tanzen. Auf der Tropfen- unterseite hat sich eine Dampfschicht gebildet. Wie alle Gase ist Wasserdampf ein schlechter Wärmeleiter, die Dampfschicht behindert den Wärmefluss zum Wassertropfen, weshalb er nur langsam verdampft ( 105.2 ). Im großen Maßstab kann etwa die Ausbildung einer isolierenden Dampfschicht an der Wand eines Dampfkessels zur Überhitzung der Kesselwand und im schlimmsten Fall zum Materialversagen und zur Kesselexplosion führen. Der gefährliche Fettbrand Beim Verdampfen nimmt das Volumen schlagartig zu – am Siedepunkt bei nor- malem Luftdruck um etwa den Faktor 1700 ! Das macht nicht nur den Siedever- zug so gefährlich, es ist eine häufige Ursache von schweren Unfällen in Küchen und Industriebetrieben. Wenn Frittierfett in der Pfanne zu heiß wird, verdampft Fett, das sich selbst entzünden kann. Versucht man nun, den sich anbahnenden Zimmerbrand durch Löschen mit Wasser zu verhindern, löst man erst recht eine Katastrophe aus. Wasser ist schwerer als Fett und sinkt in der Pfanne ins heiße Fett. Beim schlagartigen Verdampfen verteilt es das Fett in einer Wolke aus kleinen Tröpfchen, die nun gleichzeitig in einer Stichflamme verbrennen. Schwere Verbrennungen von Personen und große Sachschäden sind die Folge. (Im Internet sind eindrucksvolle Demonstrationen von Fettbränden zu sehen, mit denen Feuerwehren über die Gefahren informieren.) In Industriebetrieben kann es durch den Kontakt von Wasser mit flüssigem Me- tall zu schweren Unfällen kommen. Wie beim Fettbrand wird dabei flüssiges Metall mit oft tödlichen Folgen für Menschen zerstäubt. Energiesparen – die Brennwerttherme ( 105.3). Häufig dient Erdgas zur Warmwasserbereitung und zur Heizung. Erdgas besteht großteils aus Methan CH 4 . Beim Verbrennen entsteht gemäß der Reaktion CH 4 + 2O 2 ¥ CO 2 + 2H 2 O Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die etwa 1 200 °C heißen Verbrennungsgase heizen den Warmwasserspeicher und verlassen die Brenn- kammer mit etwa 150 °C . Statt sie direkt in den Abluftkamin zu leiten, lässt man sie zuvor das zurückfließende Wasser der Heizung (Rücklauf) und die angesaug- te Verbrennungsluft vorwärmen. Dabei kondensiert der Wasserdampf und gibt die Kondensationswärme ab. Man kann dadurch etwa 10% Erdgas einsparen. Wasserdampf mal 3 105 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des Verlags öbv